Yumuşak Anahtarlama Teknikleri

Literatürde yumuşak anahtarlama teknikleri;

 Sıfır Akımda Anahtarlama (Zero Current Switching-ZCS)

 Sıfır Gerilimde Anahtarlama (Zero Voltage Switching-ZVS)

 Sıfır Akımda Geçiş (Zero Current Transition-ZCT)

 Sıfır Gerilimde Geçiş (Zero Voltage Transition-ZVT)

şeklinde sınıflandırılmıştır. Şekil 3.1’de bir anahtarlama elemanının denetim sinyali ve buna bağlı sert anahtarlama (HS) ve yumuşak anahtarlama (SS) dalga şekilleri görülmektedir. ZCS ile ZVS temel ve ZCT ile ZVT ileri yumuşak anahtarlama teknikleridir [39, 40, 44].

57

Ana anahtar kontrol sinyali

HS HS ZCS SS ZVS SS ZVT SS ZCT SS tr tf i i i i i i v v v v v v t t t t (a) (b) (c) (d) i,v

Şekil 3.1. (a) Anahtarlama elemanı denetim sinyali, (b) Sert anahtarlama dalga şekli, (c) ZCS ve ZVS dalga şekli, (d) ZCT ve ZVT dalga şekli [39, 40, 44]

3.2.1. Sıfır akımda anahtarlama (ZCS)

ZCS, ana güç anahtarının iletime girdiği anda uygulanan bir yumuşak anahtarlama tekniğidir. Bu yöntem güç anahtarına küçük değerli bir bobin seri bağlanarak gerçekleştirilir. Böylece iletime girme anında anahtardan geçen akımın yükselme hızı sınırlandırılır. Sonuçta akım ve gerilimin üst üste binmesi önlenir. Böylece anahtarlama enerji kaybı azalır ve anahtarlama enerjisi bobine aktarılmış olur. Bobindeki bu enerji, klasik hücrelerde bir dirençte harcanır, modern hücrelerde ise kısa süreli bir kısmi rezonans ile gerilim kaynağı veya yüke aktarılarak geri kazanılır [39, 40, 44].

Şekil 3.2’de klasik seri bir ZCS bastırma hücresi görülmektedir. Ana anahtara (T) küçük değerli seri bir bobin (Ls) bağlanmıştır. Burada bobin; iletime girme anında

58

anahtardan geçen akımın yükselme hızını sınırlandırır ve ZCS elde edilir. Böylece anahtarın iletime girmesi sırasında oluşan enerji kaybı büyük ölçüde düşürülür. Düşürülen bu enerji aslında bobine aktarılmaktadır. Bobinde depolanan bu enerji, kesim anında anahtar üzerinde büyük bir emk oluşturur ve bu da anahtarın zarar görmesine neden olabilir. Bu nedenle anahtara paralel bir direnç (Rs)bağlanır. Ancak

paralel direnç, anahtar iletime girerken üzerinde ek bir akım stresi oluşturur. Oluşan bu akım stresini engellemek amacıyla paralel dirence, seri ve anahtarın iletimine ters yönde bir diyot (Ds) bağlanır. Sonuç olarak RLD şeklinde bir bastırma hücresi elde

edilir [39-47].

+

-

v

D

R

+

-

V

T

L

R

i

=i

Şekil 3.2. Klasik seri ZCS bastırma hücresi [39-47]

3.2.2. Sıfır gerilimde anahtarlama (ZVS)

ZVS, ana güç anahtarının kesime girdiği anda uygulanan bir yumuşak anahtarlama tekniğidir. Bu yöntem güç anahtarına küçük değerli bir kondansatör paralel bağlanarak gerçekleştirilir. Böylece kesime girme anında anahtar uçlarına düşen gerilimin yükselme hızı sınırlandırılır. Sonuçta akım ve gerilimin üst üste binmesi önlenir. Böylece anahtarlama enerji kaybı azalır ve anahtarlama enerjisi kondansatöre aktarılmış olur. Kondansatördeki bu enerji, klasik hücrelerde bir dirençte harcanır, modern hücrelerde ise geri kazanılır.

59

Şekil 3.3’te klasik paralel bir ZVS bastırma hücresi görülmektedir. Ana anahtara (T) küçük değerli paralel bir kondansatör (Cs) bağlanmıştır. Burada kondansatör; kesime

girme anında anahtar üzerine düşen gerilimin yükselme hızı sınırlandırır ve ZVS elde edilir. Böylece anahtarın kesime girmesi sırasında oluşan enerji kaybı büyük ölçüde düşürülür. Düşürülen bu enerji aslında kondansatöre aktarılmaktadır. Kondansatörde depolanan bu enerji, iletim anında anahtar üzerinden aşırı bir akım geçişine ve dolayısıyla anahtarın zarar görmesine neden olabilir. Bu nedenle kondansatöre seri bir direnç (Rs) bağlanır. Ancak seri direnç, anahtar kesime girerken üzerinde ek bir

gerilim stresi oluşturur. Oluşan bu gerilim stresini engellemek amacıyla seri dirence, paralel ve anahtarın iletim yönünde bir diyot (Ds) bağlanır. Sonuç olarak RCD

şeklinde bir bastırma hücresi elde edilir [39-47].

+

-

v

D

R

+

-

V

T

_C

R

i

=i

Şekil 3.3. Klasik paralel ZVS bastırma hücresi [39-47]

ZCS ve ZVS tekniklerinde anahtarlama enerji kaybı tamamen yok edilemez. Bu nedenle, bu tekniklere yaklaşık ZCS ve yaklaşık ZVS teknikleri de denir. ZCS’de kullanılan bobin ‘‘seri bastırma elemanı’’ ve ZVS’de kullanılan kondansatör ‘‘paralel bastırma elemanı’’ olarak adlandırılır. Güç elemanı üzerinde seri bobin ek bir gerilim stresine ve paralel kondansatör ise ek bir akım stresine neden olur. Seri bobinin neden olduğu ek gerilim stresinin önlenemediği kabul edilmiştir [39, 40, 44]. ZCS ve ZVS yumuşak anahtarlama teknikleri anahtarlama kayıplarını önemli ölçüde azaltmasına rağmen oluşturduğu bu ek stresler sebepleriyle sürücüdeki güç yoğunluğunda azalma ve kontrol da zorlamalara sebep olmaktadır [48].

60

3.2.3. Sıfır akımda geçiş (ZCT)

Sıfır Akımda Geçiş (ZCT), kesime girme anında anahtardan geçen akımın sıfıra ulaşma noktasının öne alındığı ileri bir yumuşak anahtarlama tekniğidir. Burada, güç anahtarından geçen akım kısa süreli kısmi rezonans sayesinde sıfıra düşürülür denetim sinyali sıfır akımda kesilir. Böylece, akım ile gerilimin üst üste binmesi engellenir ve anahtarlama kaybı tamamen yok edilir. Bu teknikle mükemmel bir kesime gidiş gerçekleştirilir. Burada ZCS ve ZVS’nin aynı anda gerçekleştiği görülmektedir. Anahtarlama enerjisinin geri kazanıldığı bu teknik, ancak modern hücrelerle gerçekleştirilebilir ve bir yardımcı anahtar gerektirir [39, 40, 44].

3.2.4. Sıfır gerilimde geçiş (ZVT)

Sıfır Gerilimde Geçiş (ZVT), iletime girme anında uygulanan gelişmiş yumuşak anahtarlama tekniğidir. Burada, güç anahtarı uçlarındaki gerilim kısa süreli kısmi rezonans sayesinde sıfıra düşürülür ve denetim sinyali sıfır gerilimde uygulanır. Böylece, anahtarlama enerji kaybı tamamen yok edilir ve mükemmel bir iletime gidiş gerçekleştirilir. Gerilimin sıfıra düşme noktası öne alınarak gerçekleştirilen bu teknikte de ZCS ve ZVS’nin birlikte sağlandığı söylenebilir. Anahtarlama enerjisinin geri kazanıldığı bu teknik modern hücrelerle elde edilir ve ek bir anahtar gerektirir. Sadece bu teknikte güç anahtarı parazitik kondansatörünün deşarj enerjisi geri kazanılmaktadır. Yüksek güçlü parazitik kondansatörlü MOSFET’lerin ZVT yumuşak anahtarlama tekniği ile sürülmesi büyük önem taşır [39, 40, 44].